（水工结构工程专业论文）混凝土坝裂缝成因及稳定性分析方法研究.pdf

摘要摘要本文结合陈村大坝，基于大坝实测资料，应用相关数学理论和力学分析方法，对大坝运行期裂缝的成因及稳定分析的相关方法进行了较深入系统的研究。主要研究内容如下：( 1 ) 分析了混凝土坝裂缝产生的原因，构建了基于b s 的混凝土坝裂缝主要成因挖掘系统；融合粗集理论和人工神经网络等理论方法，给出了裂缝成因挖掘的实现方法，结合实例挖掘了裂缝产生的主要原因。( 2 ) 探讨了灰色预测模型、b p 神经网络模型和统计预测模型的各自建立方法，针对裂缝的非线性动力特性，提出了一种基于小波神经网络的非线性组合预测模型，并研制了相关程序，结合实测数据对此组合预测模型进行了验证。同时，研究了裂缝失稳判别方法，据此探讨了混凝土坝裂缝发生失稳的两级监控指标。( 3 ) 分析了温度场仿真分析原理及m a r c 中计算温度场的方法，对比了混凝土裂缝的各类有限元模型，在此基础上，结合工程实例，模拟了坝体温度场，探讨了荷载对裂缝的作用效应，以判断裂缝的大致位置。( 4 ) 分析了裂缝的分形特性，将裂缝模拟成一组由不同频率组成的分形信号，并采用改进的快速傅立叶变换的离散小波变换算法提取裂缝时效。实例分析表明，该方法可用于大致分析裂缝是否稳定，取得了较好的效果。( 5 ) 探讨了复合节点单元和接触模型模拟裂缝的原理及其在m a r c 中的实现步骤，通过仿真计算研究了运行期裂缝开度与荷载的关系，依据裂缝失稳的监控指标探讨了裂缝失稳的诊断预报模型。关键词：混凝土坝裂缝、稳定、成因挖掘系统、粗集、神经网络、小波、分形、诊断预报 b s t r g ta b s t r a c tc o m b i n i n gw i t hp r o t o t y p eo b s e r v a t i o nd a t ao fc h e nc u nd a m ，t h ec o r r e l a t i v em e t h o d so fc a u s ea n ds t a b i l i z a t i o no fd a m sc r a c k si nn m n i n gc o u r s ea r es t u d i e db yu s i n gm a t h e m a t i c a lt h e o r i e sa n dm e c h a n i c a lm e t h o d s t h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ( 1 ) t h ec a u s eo f c o n c r e t ed a m sc r a c ki sa n a l y z e d ，a n dt h em a i nc a u s em i n i n gs y s t e mo fc r a c ki st r u s s e db a s e do nb sp a t t e m c o m b i n i n gr o u g hs e tt h e o r yw i t hn e u r a ln e t w o r k ，t h er e a l i z e dm e t h o do fc a u s em i n i n go fc r a c ki sp r e s e n t e d ，a n dt h em a i nc a u s eo fc r a c kw a sm i n e db yl i v i n ge x a m p l e ( 2 ) t h ee s t a b l i s h e dm e t h o do fg r a yp r e d i c t i o nm o d e l ，b p n nm o d e la n ds t a t i s t i c a lp r e d i c t i o nm o d e la r ed i s c u s s e d a i m i n ga tn o n l i n e a rd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i co fc r a c k ，an o n l i n e a ra s s e m b l e dp r e d i c t i o nm o d e l i sa d v a n c e db a s e do nw a v e l e tn e u r a ln e t w o r k a n dt h er e l a t i v ep r o g r a mi sd e v e l o p e d ，a n dt h ea s s e m b l e dp r e d i c t i o nm o d e li sp r o v e dw i t hm e a s u r e dd a t a ，t h ed i s t i n g u i s h e dm e t h o do fc r a c kd e s t a b i l i z a t i o ni sr e s e a r c h e d ，a n dt w oc o n t r o lg u i d e l i n eo f d a m sc r a c kd e s t a b i l i z a t i o ni sd i s c u s s e d ( 3 ) t h es i m u l a t i o nt h e o r yo ft e m p e r a t u r ef i e l da n dt h ec a l c u l a t i v em e t h o do ft e m p e r a t u r ef i e l di nm a r ea r ea n a l y z e d ，a n dt h ev a r i o u sf i n i t ee l e m e n tm o d e l so fc o n c r e t ed a m sc r a c ka r ec o n t r a s t e d a c c o r d i n gt ot h ea b o v er e s e a r c h ，r e f e r e n c e dt ot h ee n g i n e e r i n gc a s e ，t h et e m p e r a t u r ef i e l di ss i m u l a t e d ，a n dt h ee f f e c to fl o a do nt h ec r a c ki sd i s c u s s e dt oe s t i m a t et h er o u g hp o s i t i o no f c r a c k ( 4 ) t h ef r a c t a lc h a r a c t e ro fc r a c ki sa n a l y z e d ，a n dt h ec r a c ki ss i m u l a t e dt oaf r a c t a ls i g n a lb ec o n s t i t u t e do fd i f f e r e n tf r e q u e n c y t h ed w ta r i t h m e t i co fa m e l i o r a t i v ef f ti sa p p l i e dt od i s t i l ls e c u l a rc o m p o n e n to fc r a c k f i n a l l y , t h em e t h o dc o u l da p p r o x i m a t e l yb eu s e dt oa n a l y z es t a b i l i z a t i o no f c r a c k ，a n dt h ee f f e c to f m e t h o di sp r o v e db a s e do ne x a m p l e ( 5 ) t h ec r a c ks i m u l a t i o nt h e o r yu s i n gm u l t i p l e n o d ee l e m e n ta n dc o n t a c tm o d e la n dt h er e a l i z e da p p r o a c ho ft h et h e o r yi nm a r ci sd i s c u s s e d ，a n dt h er e l a t i o nb e t w e e nc o ta n dl o a di ss t u d i e db yu s i n gs i m u l a t i o n a c c o r d i n gt ot h ea b o v ea n a l y s i sa n dc o n t r o lg u i d e l i n e ，t h ed i a g n o s t i ca n dp r e d i c t i o nm o d e lo f c r a c kd e s t a b i l i z a t i o ni sd i s c u s s e d k e yw o r d s ：c r a c k so fc o n c r e t ed a m s ，s t a b i l i z a t i o n ，c a u s em i n i n gs y s t e m ，r o u g hs e tt h e o r y , n e u r a ln e t w o r k ，w a v e l e t ，f r a c t a l ，d i a g n o s i sa n dp r e d i c t i o n学位论文独创性声明：本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。如不实，本人负全部责任。论文作者。签名，：红墨僻： 月、，日学位论文使用授权说明：河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理。论文作者c 签名，：二j 兰血彳年_ ) 月乞日第一章绪论1 1 研究的目的和意义第一章绪论1 9 8 8 年国际大坝委员会对世界大坝的各种类型按不同高度进行了统计，坝高6 0 m 以上的大坝中，重力坝和拱坝占5 0 7 0 ，由此可以看出混凝土重力坝及拱坝是主要的坝型。而对混凝土坝来说，裂缝是常见的现象，可以说，有混凝土坝的历史就是裂缝出现的历史，研究分析裂缝产生的主要原因和稳定性问题历来是各国坝工建设中的重大研究课题。近些年来，随着国家对水利基础设施投入的增加，我国的水利水电工程建设正处于蓬勃发展阶段，以长江三峡工程、南水北调工程、西电东送工程为首的一大批水利水电工程相继兴建，都将面临着混凝土裂缝的问题。在混凝土坝的运行过程中，大坝裂缝的产生往往是受多种因素影响的综合结果，形成原因亦非常复杂，并且混凝土坝裂缝的产生与扩展，不仅危害了大坝的安全，直接影响整个工程效益的充分发挥，而且威胁到下游人民的生命财产安全，是关系国计民生的大事。因此要将混凝土坝裂缝的危害降低到最小程度，而使工程发挥到巨大效益，必须采取有效的技术方法来分析混凝土坝裂缝成因及稳定性等相关问题。在国内外的混凝土大坝中普遍存在着裂缝，由于裂缝而失事或影响运行、影响效益发挥的实例很多，如陈村重力拱坝【l 。 1 9 7 7 年至1 9 7 9 年长期低水位运行，大坝下游面1 0 5 m 高程处的水平向大裂缝明显扩展，拱冠部位裂缝宽度扩展1 3 9 r a m ，河床l o 个坝段的缝深超过5 m ，大坝严重破损；丹江口大坝【3 】初期发生裂缝1 0 5 0 条，后期发展到3 3 2 7 条，1 9 2 4 坝段1 1 3 m 高程水平裂缝长期渗水，对坝体稳定构成威胁；1 9 6 2 年1 1 月6 日梅山连拱坝1 4 - 7 右岸垛基突然大量渗漏水，且坝体出现几十条裂缝，大坝处于危险状态，被迫放空水库进行加固；潘家口大坝【8 1 4 1 号坝段上游面1 9 7 m 高程有一条贯穿整个坝段的水平裂缝，缝深约8 m ，造成该坝段坝体渗漏严重，使1 9 7 m 高程以上坝体的稳定受到威胁，水库被迫限制水位运行，工程效益受到严重影响：深沟坝pj 由于坝址基岩下部采煤引起河谷变形产生数条裂缝，一般裂缝宽度在3 0 1 2 0 m m ，坝体基本报废；金鸡桥坝 9 】于1 9 7 9 年7 月出现一条长1 6 m 宽1 0 m m的裂缝，渗水量达3 1 s ；葛洲坝一期工程各类建筑物出现裂缝3 1 5 6 条；磨子潭大头坝自1 9 5 8 年建成后，运行初期垛墙纵向施工缝几乎全部开裂，目前大坝裂缝共有3 0 5 条，其中上游坝面裂缝1 1 4 条，下游坝体裂缝1 9 1 条；青铜峡大坝厂房坝段存在平行于坝轴线的3 条大裂缝，严重影响了坝体的稳定及运行。国外的混凝土大坝的裂缝问题也十分普遍，如美国的德沃歇克( d w o r s h a k ) 实体重力坝 1 i 】，上游面出现的劈头裂缝深度达5 0 m ，宽度2 5 r a m ，裂缝渗水量4 8 3 1 s ；法国的托拉( t o l l a )蝴海大学硕士学位论立拱坝 1 2 1 在1 9 6 1 年水库初期蓄水时，大飒上部靠近拱座的f 游面发生大面积裂缝，并在以后的8 年早裂缝持续发震，遂在该坝的下游侧新增了拱圈和支墩，以加强原拱；瑞士的泽乌齐尔( z e u z i e r ) 拱坝在建成2 0 年后。当水库接近蓄满时，大坝出现相当明显的向上游位移，且在下游面产生了多条宽约1 5 c m 的裂缝，被迫降低了库水位，并进行大规模修补：1 9 7 1 年2 月美国的巴柯依玛拱坝由于地震影响，拱坝与左岸重力墩间由坝顶裂开直达1 3 7 m 处，缝宽6 4 9 7 m m i 加日坝【l “在1 9 5 5年第二次蓄水时已观测到上游面出现平行于坝底面的水平裂缝，随着裂缝逐渐扩大，9 8 i 3 0 m 处一条裂缝贯穿丁整个坝厚，多次处理均来成功被迫在该坝上游处另建一新坝。近几十年来，混凝土坝裂缝问题是研究的重点，众多的学者和工程技术人员做了大量的研究工作，积累了丰富的理论知识和大量工程经验，主要集中在裂缝扩展、裂缝产生原因和机理、裂缝宽度预测、裂缝的产状、裂缝对大坝的稳定影响及其裂缝控制的技术方法等方面，并取得了很大的成就。但由于裂缝存在的广泛性和产生扩展的复杂性，裂缝的成因分析、裂缝的精确预测及裂缝稳定等诸多问题仍需进一步的探讨和研究。因此，作者尝试应用粗集理论、神经网络、灰模型、小波、分形、融台理论等数学方法及其断裂模型、数值仿真等力学分析方法，对坝体运行期裂缝成因、预测、稳定等进行深入系统的研究。分析裂缝主要成因，预测裂缝监测量，数值仿真模拟裂缝，对带缝运行的混凝土坝进行稳定性分析，尽量的避免裂缝产生及扩展失稳，可为今后工程的运行管理和科学决策提供参考性意见，具有较大的经济效益和社会效益。1 2 国内外研究进展1 2 1 混凝土坝裂缝成因分析方法研究进展裂缝的产生与发展不仅破坏混凝土坝的美观和整体性，而且影响结构的受力状况与稳定，影响到社会经济效益的正常发挥。混凝土坝裂缝的形成原因是十分复杂的，近些年来，工程技术人员和科学人员一直致力于探索分析混撮土坝裂缝产生扩展的成因和机理的方法，主要采用试验、工程经验及其数值仿真等方法。文【1 3 - 3 3 1 结台工程实际，针对不同混凝土坝从设计、施工、材料、边界条件以及物理化学反应等方面对裂缝的形成原因作了详细的分析研究。程小平1 3 4 1 等基于弹性理论，采用有限元方法和温度场瞬态分析理论，对某发电厂溢流坝段闸墩裂缝成园进行了研究；张天宝p ”针对飞龙拱坝裂缝、漏水病害提出了应力重分布定点分析方法，该方法采用考虑扭转的拱冠梁法，对拱坝应力控制部位不断进行应力计算，并根据此前计算成果确定下次计算的边界条件，获得坝体应力发展全过程，从而判断裂缝产生的原因。陈祖坪”“综述了拱坝强度裂缝的定量研究，拱坝分位移法、线弹性和非线弹性三维实体有限单元法进行坝强度裂缝的定量研究，拱坝分位移法、线弹性和非线弹性三维实体有限单元法进行第一章绪论拱坝裂缝随机追踪的框图，给出了按线弹性三维实体有限元法进行拱坝裂缝产状随机追踪的框图以及指定裂缝位置，按线弹性三维实体有限元法进行裂缝定量分析的框图，为裂缝成因分析提供了一条不错的思路。杨清平等【3 h 应用有限单元法，计算了多种情况下的重力坝的应力，以坝踵主拉应力区相对宽度为变量，探讨了重力坝坝踵主拉应力区的范围和应力分布规律，为坝踵裂缝成因分析提供了一种方法。数据挖掘( d m ，d a t am i n i n g ) 作为一种新的知识发现手段，能够从数据库或数据仓库中提取人们感兴趣的东西，发现知识，以指导人们有效地利用其中的数据，从而为正确的决策提高可靠的依据。当前数据挖掘作为新型的研究领域f 3 8 。9 1 ，以机器学习、模式识别、统计学、智能数据库、知识获取、数据可视化、高性能计算、专家系统等众多学科领域为基础，集成于从数据库的原始粗糙的数据中提取高级别的知识上，主要包括神经网络、决策树、粗集、云模型、遗传算法及其他们的组合应用等方法。目前国外的数据挖掘技术已在市场营销、金融、信用保险、过程控制、质量分析、化工、医药、司法、军事、分子生物学、基因工程研究、i n t e m e t 站点访问模式发现以及信息搜索和分类等许多领域得到了成功的应用。与国外相比，国内对数据挖掘的研究起步稍晚。国家自然科学基金于1 9 9 3 年开始对数据挖掘研究给予支持，同时国内许多高校和科研单位对数据挖掘的基础理论和应用也做出了很大的贡献。在水工结构安全监控领域，苏怀智1 4 0 引入粗集约简理论，从实例和原型观测数据中挖掘大坝病害的潜在病因，为裂缝的成因分析提供一条不错的思路。1 2 2 数学理论在水工安全监控领域中的应用研究进展粗集、人工神经网络、灰理论、小波及分形等理论是当前水工结构研究所采用的前沿学科，下面简单介绍国内外这方面的研究进展。( 1 ) 粗集理论及其应用研究粗集( r o u g hs e t ) 理论是一种研究不精确、不确定性知识的数学工具，由波兰科学家p a w l a k 在1 9 8 2 年首先提出 4 1 1 ，到1 9 9 0 年后，该理论逐步渗透至人工智能的各个分支，在数据决策与分析、模式识别、机器学习与知识发现等方面得到很大发展，并在医疗数据分析、水泥窑生产控制算法、地理学、振动分析、飞行员技能评定、开关电路综合、语言识别、近似分类等都已取得了丰硕的成果。国内起步较晚，1 9 9 6 年曾黄麟在文献 4 1 1 q u 系统阐述了关于数据推理的粗集理论及其技术应用的基本问题，带动了国内粗集理论研究的发展。郝善勇【4 2 】提出了一种基于粗集数据分析系统的指标子集选择算法，用于金融投资决策中的指标选择；张登峰等f 4 3 】将变精度粗集模型应用于故障诊断专家系统的知识获取和知识库的更新，利用变精度知识约简和正则条件熵进行故障特征选择，实现最简诊断知识的获取，以建立专家系统知识库；梁剑等 4 4 】运用统计粗集河海大学硕士学位论文理论属性熏要性判定方法，建立了发动机维修成本组合预测模型，通过实例证明建立的组合模型较之单一预测模型在拟合和预测精度上都有明显提高。在大坝安全监控领域，苏怀智首次将粗集理论应用于大坝病变自适应分析诊断中，从知识发现的角度，完成了从实例和原型监测数据中挖掘大坝病害的潜在病因的目标。李雪红1 4 5 j 在大量收集与裂缝产生的相关资料基础上，应用故障树和粗集理论，挖掘重大水工混凝土结构裂缝的主要成因，为裂缝的成因分析提供了一条较好的思路。( 2 ) 人工神经网络应用研究现代人工神经网络的研究可以追溯到2 0 世纪4 0 年代w a r r e nm c c u l l o c h 和w a l t e rp i t t s 的工作，第一个实际应用却出现在2 0 世纪5 0 年代后期f r a n k r o s e n b l a t t 提出的感知机网络和联想学习规则。1 9 8 4 年，h i t o n 教授提出b o l t z m a n 机模型。1 9 8 6 年r u m e l h a r t等人提出的误差逆传播神经网络( b p 网络) ，已成为广泛使用的网络。近些年来各个国家都展开了大量的研究工作，人工神经网络已经广泛应用于航空、交通、电信、国防、电子、娱乐、金融、制造等诸多领域，同时在水文、地下水、岩土工程、水工结构安全监控等领域中也得到了较为成功的应用。魏虹 4 6 1 运用人工神经网络具有非线性映射的性质对重力坝位移进行拟合和预报，效果理想；赵斌等1 47 j 利用b p 网络建立了大坝位移的神经网络模型，实现了对位移的预报；吴云芳【4 8 j 等针对b p 神经网络模型存在的缺陷进行改进，并将改进的b p 模型应用于大坝安全监测中效应量的预报，通过实例证明改进的b p 神经网络模型与常规b p神经网络模型及回归统计模型比较具有明显的优越性；陈继光 4 9 1 讨论了不同影响因素( 水位、温度等) 与大坝位移变形量问的模糊关系，将模糊人工神经网络分析方法用于土坝位移的预报；李雪红【5 0 l 将主成分分析和模糊神经网络相结合，建立了大坝观测数据的主成分模糊神经网络模型，经实例计算，该模型的拟合和预报精度较高；徐洪钟等 5 l 】采用自适应模糊神经网络建立了土石坝的沉降组合模型，该组合模型具有较好的拟合和预报精度。张乾飞p 2 】采用模糊聚类理论方法对因子集进行模糊聚类，利用神经网络的方法建立样本因子集类别变量特征值与样本观测值之间的预测模型，提出了将模糊聚类、模糊模式识别以及神经网络三者有机结合的预测理论。徐洪钟、吴中如等口3 】根据大坝实测位移资料，应用模糊神经网络反演坝体和坝基的弹性模量，其中两种水位下的位移的水压分量差值作为网络输入矢量，待求的坝体和坝基的弹性模量作为网络输出矢量，计算结果表明，应用模糊神经网络反演大坝弹性模量，具有精度高、速度快的优点。( 3 ) 灰色系统理论的应用研究邓聚龙 5 4 l 教授创立的灰色系统理论自1 9 8 2 年问世以来，在国内外引起了很大反第一章结论响，据不完全统计，灰色系统理论已被应用到国内外1 5 0 多个行业和部门中，并取得了可喜的成果【5 5 1 。灰色系统属少数据不确定的系统，建立在灰色系统之上的灰理论用于研究少信息不确定的显示规律，强调信息的优化【5 6 】。在大坝安全监控领域，张乾飞等【5 7 1 简述了不确定性信息在大坝安全监控中的具体表现形式及应用前景，并提供了一种采用灰信息处理方法对大坝安全进行分析和评价的新的思路。周晓贤1 5 m 提出了用灰关联度较大的显著变量建立较优g m ( 1 ，n ) 模型的方法，应用于大坝安全监控领域，实例表面较优g m ( 1 , n ) 模型的精度比逐步回归模型要高；徐晖【5 9 j 、刘国华【删、向衍1 6 【j 等对大坝的监测资料序列建立灰色关联度的g m ( 1 ，n ) 状态模型，拟合及预测精度亦较高。( 4 ) 小波分析理论应用研究在数学家眼里，小波分析是一个新的数学分支，它是泛函分析、f o u r i e r 分析、样条分析、调和分析、数值分析的完美结晶，近年来，在信号处理、模式识别、图形处理、语音分析、量子物理及众多非线性科学等领域取得了丰硕的成果【6 2 l 。在水工监控领域，徐洪钟 6 3 l 利用多分辨分析，提出大坝变形观测数据趋势分量提取的小波分析方法，给出了该方法的计算思路，并通过工程实例验证了该方法的有效性。聂学军科】将大坝安全监测的数据系列视为由不同频率成分组成的数字信号序列，结合小波分析理论，对监测数据进行分析处理，包括野值诊断、降噪处理和时效分量提取等。李雪红等【6 5 】对于带缝运行的水工混凝土结构，用小波分析和突变理论相结合的方法，建立了裂缝转异诊断模型。结合工程实例，利用小波分析方法提取裂缝的时效变形。( 5 ) 分形理论应用研究分形理论是非线性科学研究中十分活跃的一个分支，它的研究对象是自然界和非线性系统中出现的不光滑和不规则的几何形体，其数学基础是分形几何【6 7 】。目前，分形己应用于工程科学界诸多领域，在断裂力学和接触力学方面亦取得了显著成效。周创兵【6 州讨论了估算节理面粗糙度的若干分析方法，论述了节理面的分形性质，从三个不同的方面探讨了粗糙度系数与分形维数的关系；易顺民【6 9 j 根据分形理论，系统地研究了在三轴压缩条件下三峡坝基岩石破裂系和破损物的分形结构，得出了分维可作为描述岩石脆性断裂的定量参数的结论。鞠杨口o j 通过模型和三点弯曲断裂s e m 试验，详细研究了混凝土断裂全过程及亚临界扩展的细观机理，得出混凝土亚临界扩展和临赛失稳扩展呈现分形特征的结论，并通过计算表明混凝土失稳断裂时的分形等效断裂韧性与混凝土亚临界扩展的分维数d 成正比。( 6 ) 融合理论应用研究大坝安全监测领域中应用到粗集、神经网络、灰理论、遗传算法、盲数理论、时河海太学硕士学位论文间序列、模糊数学、混沌理论、小波理论、分形几何等众多的数学方法，每种理论都有其优缺点和适用的范围，如何有效的选择合适理论应用于水工安全监测领域是一个重耍的研究课题。有些时候应寻求融合理论机制，取其所长，避其所短，亦会收到很好的效果。粗集理论和人工神经网络融合技术已引起了国内外许多学者的关注和深入研究，并初步应用于在连续属性量化与地质样品分类f 7 ”、网络设计【7 2 l 、语音识别【7 3 1 、时间序列分析7 4 1 、医疗诊断旧、企业风险评估【7 叼等诸多领域，但在大坝安全监控领域的应用尚在研究之中。缪韧等【_ 7 ”根据大坝变形序列特征建立灰色一回归一时间序列模型，可客观地描述大坝运行工况，拟合精度较高且有直接预报功能；徐洪钟、吴中如等【7 8 】将混沌理论和神经网络理论相结合，建立了水平位移实测值的相空间模糊神经网络预报模型，计算结果表明，其预报精度优于常规的统计回归模型，能揭示大坝的非线性性质，更好地分析大坝的运行性态；赖道平、顾冲时 7 9 1 采用遗传模拟退火算法搜索最优权重对大坝监测资料序列建立组合模型，结合实例说明了该方法合理可行性，所建立的组合模型与最优权组合模型的拟合精度和预报精度相近，克服了最优权和基于神经网络组合模型的缺点；何金平等 s o l 利用灰色理论能适应“小样本、贫信息”的特点，建立了大坝安全监测灰色一时序动态组合模型，为解决大坝安全监测中短序列数据建模难题提供了一条有效的途径；包腾飞等【8 1 】提出了采用四层神经网络计算应力强度因子的解决途径，利用混沌优化算法对四层神经网络进行了改进，应用实例对其改进效果进行了检验，通过实例分析表明四层优化神经网络计算的应力强度因子接近于用断裂力学有限元计算的应力强度因子：苏怀智 8 2 1 等利用小波网络构造模型的优化组合函数，实现了对不同的大坝安全监控子模型的非线性组合；曹茂森等】在对m u r t a g h 提出的小波与神经网络相结合的用于复杂时间序列预测的“三阶段”策略进行改进的基础上，发展了一个解耦子波和优化神经网络优势联合的预测模型，提高了小波神经网络对大坝变形的预测能力。1 2 3 混凝土坝裂缝稳定性分析研究进展g r i f f i t h 悼4 】在研究玻璃材料的强度时最早提出了断裂力学的概念，1 9 6 0 年欧文( i r w i n ) h 5 提出了尖端应力场的近似表达式，并提出了应力强度因子的概念。卡布朗( m e k a p t a n ) 脚1 于1 9 6 1 年首先发表了可将断裂力学用于混凝土材料的研究，从此，混凝土裂缝问题的研究得到了迅速的发展和应用【8 7 】。1 9 8 6 年y j e n g ，s e s h a h 8 8 1 指出裂缝尖端有微裂区，即混凝土在荷载逐渐增大的同时，原裂纹将出现缓慢的非线性扩展，当荷载达到临界值时，才出现失稳扩展。b a z a n t 8 9 】在1 9 8 4 年研究了断裂参数的尺寸效应。针对线弹性断裂力学应用于混凝土材料遇到了许多困难，同时许多研究者提出了，一积分的概念1 9 0 4 “。长期以来，国内众多学者通过对混凝土试件在外荷载作用下，从微观裂缝的产生、第一章绪论扩展、汇集直到宏观裂缝的形成直至失稳进行了大量的试验研究，并取得了一些成果。徐世娘、赵国藩等【9 2 】采用三点弯曲试件，用激光散斑照相法并辅以电测法研究观察了两种不同尺寸的混凝土切口梁失稳断裂前微裂缝生成、聚合直到主裂缝发生缓慢的亚i 缶界扩展的全过程以及相应的变形特征和应变场分布；吴智敏【9 3 】通过试验得到当试件高度大于4 0 c m 时所测得的临界裂缝尖端位移与试件尺寸无关的结论，可以采用c t o d c准则用于混凝土坝裂缝稳定性分析中。目前，国外学者对混凝土断裂过程中存在缓慢裂缝生长以及裂缝尖端出现微开裂的现象进行了大量的分析模拟，先后提出了多种不同的断裂模型，为裂缝的稳定性分析做出了重大贡献。h i l l e r b o r g 等提出的虚拟裂缝模型( f c m ) 1 9 4 l 突破经典线弹性断裂力学的某些基本概念，利用断裂过程区材料的软化特性来描述混凝土的裂缝扩展过程；b a z a n t 和0 h 提出的裂缝带模_ 型j ( c b m ) 1 9 5 】断裂过程区模拟称一个钝化裂缝带，当裂纹带总的单元释放能量达到断裂能时，裂缝开始扩展。此外还有j e n q 和s h a h 提出的双参数模型( t p m ) 9 6 1 、b a z a n t 和k a z e m i n 等提出的尺寸效应模型( s e m l f 9 7 】、r a s h i d 9 8 提出了弥散裂缝模型( s m e a r e d c r a c k m o d e l ) 以及k a r i h a l o o 和n a l l t h a m b i 提出的等效裂缝模型( e c m ) 等 9 9 1 。国内在裂缝模拟及其裂缝模型方面也有很大发展。徐道远等【1 0 0 】提出了一种将损伤、断裂融为一体的损伤一断裂耦合模型，能反映如混凝土坝结构开裂直至破坏的实际情况，为分析混凝土坝的开裂和防裂问题提供了一个符合破坏机理的有效方法。张镜剑等 1 0 1 提出了一种适用于分析含压剪裂缝结构的非线性断裂力学数值分析模型一压剪钝裂缝带模型，并基于此模型，提出了调整力向量法，可较方便地求解复杂的压剪断裂问题；吴胜兴 1 0 2 提出了基于最大拉应力准则的混凝土裂缝开展宽度计算的有限单元法；巫昌海等1 1 0 3 1 基于应变分解法推导了混凝土三维非正交弥散裂缝模型的基本公式，该模型可用于混凝土结构的开裂分析，可以方便地分析结构从加载到破坏的全过程特性；孙静等【l ”1 在损伤力学的原理和方法的基础上，建立了正交各向异性非线弹性损伤三维抹平式裂缝模型，研究了在荷载及温度变化作用下拱坝的损伤安全性及损伤开裂破坏的全过程；寇晓东、周维垣 1 0 5 1 针对拱坝开裂分析的难题，结合拱坝的受力特点，利用无单元法追踪结构开裂，提出种拱坝三维开裂模拟分析的近似方法；栾茂田1 1 ”j 将非连续变形计算力学模型及其数值分析方法应用于有缝重力坝的静态应力与变形分析，根据接触界面的本构特性及其力学和运动学两方面约束条件精确地再现受力过程中界面相互作用力的传递与非连续变形状态，为判断坝体缝隙的工作状态与界面应力提供了可能的途径。1 2 4 接触问题分析研究进展混凝土坝裂缝问题从本质上说是属于接触问题，坝体不同材料的迭合面、软弱带、河海大学硕士学位论文原状及开裂后生成的裂隙、坝体与坝基的相互作用面以及由于工程误差或人工预留的工作缝等，均属接触问题，因此可以按照接触问题来模拟分析裂缝，计算荷载作用下的裂缝开度，以研究裂缝监测量与荷载问的联系。1 8 8 1 年h e r t z 提出的经典的h e r t z 弹性接触理论，开始了接触问题的研究。k a l k e r等1 。7 卅0 8 1 从虚功方程和余虚功方程出发，将接触边界条件用拉格朗日乘子并与总势能一起构成修正的势能或余能，再求驻值得到最后的控制方程；p a n a g i o t o p o l u s 和l a z a n i d i s l l 0 9 在拉格朗日方程基础之上研究了关于接触区的未知作用力或未知位移的最小势能或最小余能问题，这种方法减小了未知量的数目，可以计算较大结构的接触问题。k a t o n a t “o 1 9 8 3 年提出不用刚度系数的简单接触摩擦单元，可以模拟两物体间的滑动摩擦、张开和闭合过程；由于这种单元采用的是常接触力的二节点简单单元，很难适应接触面复杂的问题；雷晓燕【l “】在k a t o n a 工作的基础上提出了一种新的接触摩擦单元，直接选取节点接触应力作为基本未知量，同时采用六节点的等参元模拟接触面复杂的几何形状，接触单元的几何和静力约束是作为补充方程包含在刚度方程中的，运用虚位移原理导出了接触摩擦问题的等效单元刚度一约束矩阵和等效荷载向量，使该单元具有容易与标准有限元程序联接和计算稳定的优点。胡黎明ij 1 2 建立了一个能够反映接触丽变形机理和力学特性的接触面损伤模型，可以模拟其剪切过程中的应变软化和剪胀现象，并将损伤模型接触面单元用于三维有限元计算。f e n v e s 最早提出三维平面接触单元模型，用于模拟坝体的横缝开合；郭永刚、涂劲、陈厚群等 1 1 3 1 ”】等提出了考虑动、静摩擦的动力接触单元模型。1 2 5 混凝土坝裂缝的荷载馈控问题研究进展混凝土坝裂缝问题是常见的问题，因此如何有效的分析控制裂缝的再生发展及失稳是一个重要的研究课题。文 1 t 6 , - - 1 2 4 结合工程实际，对不同混凝土坝从设计、施工、原材料选择、混凝土配合比、温控措施、运行环境等角度提出了分析控制裂缝的综合对策。对于运行期的混凝土坝，荷载作用是其裂缝产生发展的主要原因，从荷载角度有效的分析裂缝稳定是一个很好的思路。陈久宇、杨代泉【1 2 5 1 2 6 l 用有效指数法和传递荷载指数法，反馈了大坝横缝的实际传递荷载的能力；此外，利用确定性统计学模型，结合实测资料，反馈纵缝的实际结构作用。葡萄牙国力土木工程研究院【幢7 】利用施工期间浇筑混凝土的温度观测资料，反馈温控设计和控制接缝灌浆的时间，对大坝实际运行有一定的指导意义。顾冲时 z 2 8 1 利用原型观测资料，应用可靠度理论和有限元法相结合，在复核大坝及岩基实际安全度的基础上，提出反馈大坝及岩基实际运行荷载的计算方法。李雪红【4 “应用断裂力学理论和概率分析法反演分析混凝土的断裂韧度，并建立反映荷载组合与应力强度因子之间关系的神经网络模型，反馈分析裂缝的转异荷载。顾冲时( 1 2 9 1 研究并提出了运行期带缝混凝土坝馈控运行荷载的方法，推导了其计算控制荷- 舡第一章绪论载的公式，研制了相应的分析程序：同时，建立了判别裂缝再生和扩展的数学模型和临界荷载图的控制方程，可以比较直观地利用临界荷载图监控裂缝的再生与发展。1 3 问题的提出如上所述，许多学者和工程技术人员对裂缝的成因扩展、数值模拟、稳定等方面作了大量的研究工作，但是，基于混凝土坝裂缝问题的复杂性和重要性，还有一些问题有待进一步研究。( 1 ) 近些年来，人们对混凝土坝裂缝主要成因的研究多集中于具体某个大坝，结合设计、施工、运行等相关资料以及工程经验，或借助于实验和数值模拟方法进行分析研究，也取得了一定的成果；对于具体某个大坝裂缝的产生往往是受多种因素影响的综合结果，形成原因亦非常复杂，因此，有必要寻求一个较为全面系统化的方法，采用现代化的分析手段，方便快捷全面详实地挖掘分析出裂缝的主要成因。( 2 ) 目前对裂缝开度( 裂缝张开位移) 建立的数学数值预测模型在实际应用中均存在一定的局限性，而准确地预测裂缝开度的大小对判断裂缝是否会发生失稳扩展具有重要意义。因此，针对裂缝非线性动力特性，应建立高精度的裂缝开度预测模型。( 3 ) 混凝土坝在施工和运行过程中，荷载作用是裂缝产生和发展的重要影响因素，裂缝开度是裂缝发展演变、坝体变形的一个重要参量。荷载对裂缝的作用如何，裂缝大致出现在哪些位嚣，是分析裂缝稳定的一个重要前提；同时，裂缝开度与荷载之间有何联系尚需要进一步深入研究。( 4 ) 近些年来，随着计算机技术的不断发展，融合理论和数值仿真分析方法得到了快速发展，被迅速应用于各个领域，成为工程计算和分析的有力工具，将其应用于混凝土坝裂缝问题的分析越来越受到人们的重视。( 5 ) 裂缝的产生、失稳扩展等不同阶段均蕴涵着非线性的特征，因此，采用分形、小波、神经网络等非线性科学理论研究裂缝的产生发展等具有重要的现实意义。( 6 ) 裂缝对大坝结构的危害性很大，建立裂缝的失稳诊断预报模型，更好的控制裂缝失稳扩展是一个重要的研究课题，对指导运行管理单位的工作具有重大意义。1 4 本文的主要研究内容和技术路线1 4 1 研究思路本文结合9 7 5 计划题目“多因素相互作用地质工程系统的整体稳定性研究”( 2 0 0 2 c b 4 1 2 7 0 7 ) ，以实测资料为基础，结合数值仿真分析方法及大型有限元分析软件m a r c ，应用一些数学理论和力学方法对混凝土坝裂缝成因及稳定性分析的相关问题进行了较为系统的研究，总体思路如下：首先从裂缝的成因分析入手，建立裂缝成因挖河海大学硕士学位论文掘系统，采用多种数据挖掘方法相融合的研究手段，得出荷载是影响混凝土坝运行期裂缝产生和发展的主要因素；其次，基于裂缝的非线性特征，建立裂缝开度的非线性组合预测模型，并进一步探讨以裂缝开度作为裂缝失稳判据的理论及实践方法，据此拟定了裂缝失稳的两级监控指标；然后，基于实测资料和数值仿真分析方法，在m a r c基础上进行开发，采用一些技术理论对裂缝的荷载作用进行研究，建立仿真模型，判断裂缝的大致位置，寻求裂缝开度与荷载的之间的联系，建立裂缝的失稳诊断预报模型；最后，根据拟定的临界裂缝开度值和裂缝失稳的两级监控指标。绘制裂缝开度的失稳诊断曲面图和平面图，反馈分析裂缝的运行荷载，并可直观的用于裂缝失稳诊断以及失稳荷载的诊断和预报。1 4 2 主要研究内容针对混凝土坝运行期的裂缝问题，结合大型有限元分析软件m a r c ，以大坝实测资料为基础，采用相关数学理论和力学方法，对大坝裂缝成因及稳定分析的相关问题进行研究，具体内容包括：( 1 ) 较为系统的分析混凝土坝裂缝产生的原因，构建了基于b s ( 浏览器瑁匣务器)模式的混凝土坝裂缝的主要成因挖掘系统；融合粗集理论和人工神经网络理论，给出裂缝成因挖掘的实现方法。( 2 ) 分析了传统数学模型和神经网络等预测模型在大坝裂缝开度预测中存在精度不高的问题，探讨灰色预测模型、b p 神经网络模型和统计预测模型的各自建立方法，根据裂缝系统的非线性动力特性，建立一种基于小波神经网络的非线性组合预测模型，结合裂缝实测资料对此组合预测模型进行检验。针对目前几种裂缝失稳扩展判据进行分析，选择一种基于裂缝实测资料的裂缝失稳判据，结合实例给出判据中临界裂缝开度值正的计算原理与方法，据此拟定混凝土坝裂缝发生失稳的两级监控指标。( 3 ) 在裂缝产生的众多影响因素中，荷载对裂缝产生和发展起主要作用。首先简要阐述温度场仿真分析基本原理及其在m a r c 中计算温度场的方法，对比裂缝的各种有限元分析模型，选择薄层单元、分布裂缝模型及接触模型用于混凝土坝的裂缝数值模拟中，在此基础上，结合工程实例，模拟坝体温度场，探讨荷载对裂缝的作用效应，以判断裂缝出现的大致位置。( 4 ) 简要分析裂缝的时间序列具有分形特性，并将裂缝开度监测资料模拟成一类具有自相似性和时变非平稳性的分形信号，根据小波与分形的内在联系，尝试采用改进的f f t ( 快速傅立叶变换) 的离散小波变换算法提取裂缝分形信号的时效分量，可用于大致分析裂缝是否稳定。( 5 ) 将融合复合节点单元的接触模型引入裂缝仿真分析中，探讨该模型模拟裂缝的原理及其在m a r c 中实现步骤，研究运行期裂缝开度与荷载的关系，据此采用人工神第一章绪论经网络方法，建立裂缝的失稳诊断预报模型，依据临界裂缝开度值和失稳的监控指标，研究绘制裂缝开度的三维诊断曲面图以及相应的二维平面图，反馈分析裂缝运行荷载，可较为直观的用于裂缝失稳诊断以及失稳荷载的诊断和预报。本文主要研究内容框架如图1 4 1 所示。图1 4 1 本文主要研究内容结构圈河海大学硕士学位论文2 1 概述第二章混凝土坝裂缝成因及挖掘系统对于一座混凝土坝来说，裂缝是混凝土坝普遍存在的缺陷，它的产生往往是受多种因素影响的综合结果，产生的原因及其复杂，并不是能够用单纯的某种原因就能够完全概括的，因此必须寻求一种快捷、有效、系统的方法去分析和挖掘混凝土坝裂缝的主要成因。裂缝成因的分析挖掘，是一个基于知识的决策过程，由于与混凝土坝裂缝形成相关的数据很多，包括裂缝的实测数据、大坝设计、旌工、运行、管理过程中的相关监测数据和资料等等，据此可以采用数据挖掘技术对这众多数据背后所隐藏的知识、规律进行挖掘提炼，得出裂缝产生的真正的、主要的原因。为了较为系统方便的挖掘裂缝成因，研究和开发裂缝成因的挖掘系统，对于获得裂缝的主要成因具有重要的意义。本章在系统分析混凝土坝裂缝产生原因的基础上，探讨裂缝成因挖掘系统的总体设计思路及构建框架，给出系统裂缝成因挖掘功能的实现方法，由此分析混凝土坝裂缝产生的主要原因：将该方法用于实际工程，通过实例验证该挖掘系统构建及实现方法的合理性和可行性。2 2 混凝土坝裂缝的成因分析在实际工程中混凝土坝裂缝的成因繁冗复杂，多种因素相互作用影响，且每一条裂缝的产生均有一种或几种主要的原因，通过阅读大量的文献资料1 1 1 1 4 5 【1 3 0 m 2 1 ，分析了混凝土坝裂缝的成因。2 2 1 荷载直接引起的裂缝荷载直接引起的裂缝是指由于外荷载引起的应力超过了规定的值后而引起的裂缝，它主要包括两种：直接应力裂缝和结构次应力裂缝。2 2 2 荷载间接引起的裂缝通过大量的实例调查和分析表明，荷载间接引起的裂缝主要是指由于温度和湿度等外界变化引起收缩和膨胀变形以及坝体和坝基荷载的不均匀引起的不均匀变形导致的裂缝。这类裂缝是由于结构变形受到约束引起的应力超过混凝土的抗拉强度而产生的，它主要包括以下几种：第二章混凝土坝裂缝成固及挖掘系统( 1 ) 温度裂缝由于混凝土具有热胀冷缩的性质，当结构内部温度或外部环境发生变化，混凝土将发生变形，若变形受到约束，则在结构内部将产生